Согласно кинетической молекулярной теории, газ состоит из большого количества крошечных молекул, все в постоянном беспорядочном движении, сталкиваясь друг с другом и с контейнером, в котором они находятся. Давление - это чистый результат силы этих столкновений со стенкой контейнера, а температура определяет общую скорость молекул. Несколько научных экспериментов иллюстрируют взаимосвязь между температурой, давлением и объемом газа.
Воздушный шар в жидком азоте
Жидкий азот - недорогой сжиженный газ, который можно приобрести у большинства дистрибьюторов промышленных сварочных аппаратов; его чрезвычайно низкая температура позволяет наглядно продемонстрировать несколько принципов кинетической молекулярной теории. Хотя он относительно безопасен, для работы с ним необходимо использовать криогенные перчатки и защитные очки. Возьмите несколько литров жидкого азота и открытый контейнер из пенополистирола, например холодильник для пикника. Надуйте воздушный шар для вечеринки и завяжите его. Вылейте жидкий азот в емкость и поместите баллон поверх жидкости. Через несколько мгновений вы увидите, что воздушный шар заметно сжимается, пока не станет полностью сдутым. Сильный холод замедляет молекулы в газе, что также снижает давление и объем. Осторожно достаньте баллон из емкости и поставьте на пол. По мере нагревания он расширяется до прежних размеров.
Давление и объем при постоянной температуре
Если вы медленно изменяете объем баллона с газом, давление также изменяется, но температура остается постоянной. Чтобы продемонстрировать это, вам понадобится герметичный шприц с миллилитрами и манометр. Сначала выньте шприц так, чтобы поршень оказался на самой высокой отметке. Запишите показания давления и объем шприца. Вдавите поршень шприца на 1 миллилитр и запишите давление и объем. Повторите процесс несколько раз. Когда вы умножаете объем на давление для каждого показания, вы должны получить тот же числовой результат. Этот эксперимент иллюстрирует закон Бойля, согласно которому при постоянной температуре произведение давления и температуры также остается постоянным.
Компрессионный воспламенитель
Воспламенитель сжатия - это демонстрационное устройство, состоящее из поршня внутри закрытого прозрачного цилиндра. Если вы поместите кусок папиросной бумаги в цилиндр и закрутите колпачок, а затем ударитесь рукой по рукоятке поршня, воздух внутри будет быстро сжиматься. Это вызывает состояние, называемое адиабатическим нагревом: внезапно заключенный в меньшее пространство воздух становится достаточно горячим, чтобы воспламенить бумагу.
Оценка абсолютного нуля
Аппарат постоянного объема состоит из металлического баллона с прикрепленным к нему манометром. В баллоне находится воздух под давлением 14,7 фунтов на квадратный дюйм. Используя это устройство, вы можете оценить давление при абсолютном нуле температуры. Для этого вам понадобятся три емкости: одна с кипящей водой, вторая с ледяной водой и третья с жидким азотом. Погрузите металлическую колбу в водяную баню и подождите несколько минут, пока температура не стабилизируется. Запишите давление, указанное на манометре, вместе с температурой в кельвинах - 373. Затем поместите колбу в ванну с ледяной водой и снова отметьте давление и температуру 273 кельвина. Повторите то же самое с жидким азотом при температуре 77 кельвинов. Используя миллиметровую бумагу, отметьте записанные точки с давлением на оси y и температурой на оси x. Вы должны уметь провести довольно прямую линию через точки, которые пересекают ось Y, указывая давление, когда температура равна нулю по Кельвину.